химия ГЕТЕРОЦИКЛИчЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ . — 1999. — N9 10. — С. 1322-1329 B. B. Посконин, Л . А . Бадовская, Л . B. Поварова, P. И. Пономаренко РEАKЦИИ КАТАЛИТИЧЕСКОГО ОКИСЛЕНИЯ ФУРАНОВЫХ И ГИДРОФУРАНОВЫХ СОЕДИHEHИЙ б*. ОКИСЛЕНИЕ ФУРАЖА ПEРОКСИДОМ ВОДОРОДА В ПPИСУТСТВИИ СОЕДИНЕНИЙ ЁАНАДИЯ B УСЛОВИЯХ МЕЖФАЗНОГО KАТАЛИЗА Впервые изучено окисление фурана в системе пероксид водорода — соединение ванадия — хлоруглеводород—вода — межфазный катaлизатор . Наряду c основным продуктом этого процесса — цис ß-формилакриловой кислотой выявлено образование других , ранее не обнаруженных при перекисном окислении фурана веществ : 2 (5Н) -фуранона , 2,5-дигидрокси -2,5-дигидрофурана и малеинового диальдегида . Показано , что в небольшом количестве образуются малеиновая и фyмaровая кислоты , a также продукт полимеризации указанных дiлгидроксидигидрофурана и диальдегида. Выявлено влияние типов органического растворителя , ванадиевого и меж- фазного катализаторов , соотношения компонентов реакции на выход продуктов окисления . B ранее предложенных схемах механизма окисления фурана перокситом водорода [2-51 предполагалось образование на промежуточных стадиях процесса 2,5- дигидpoкcи -2,5- дигидpoфypaнa (I). Однако впервые соединение I было обнаружено нами методом хромато-масс-спектрометрии в составе иродуктон при проведении реакции в присутствии ванадиевых катализаторов в среде водного этанола [1]. Выделить его из реакционной смеси не удалось из-за неустойчивости и малого выхода . B то же время в указанных условиях 2,5 диэтoкcи 2,5 дигидрофуран (Н) был получен диацеталь соединения I — c выходом 12% - - - [6]. B водных растворах дигидроксидигидрофуран I находится в равновесии c малеиновьпи диальдегидом III, который способен окисляться до цис(3 формилакриловой кислоты , существующей в виде - таутомерхых форм (IV и V), и далее — до малеиновой кислоты (VI): ± Н2О HO ОН * ноос соон VI * Сообщение 5 см. [11. 1322 онс IV . соон но V Таким образом , продукты I, 111—V не стабильны в системах , содержат воду и пероксид водорода . B связи c перспективностью соединений I, III—V в качестве синтонов представлялось интересным выявить условия окисления , не способствующие их дальнейшим превращениям . В настоящей работе приведены результаты исследования процесса окисления фурана пероксидом водорода в присутствии соединений ванадия в двухфазной системе хлороформ / четыреххлористый углерод—вода c использованием межфазного катализатора. Реакцию проводили при 20 ' С и исходном мольном соотношении фуран : 30% водный пероксид водорода : хлоруглеводородный растворитель : ванадиевый катализатор : межфазньiй катализатор , равном 1 : 2 : 5 : 0,02: 0,02. B серии опытов варьировали тип и количество растворителя и катализаторов . За ходом реакции и выходами. продуктов следили c помощью методов ГЖХ , ТСХ и полярографии. Процесс прекращали при полном расходовании Н 202 и превращении органических пероксидов , образующихся в реакционной среде . Выходы соединений I, III—V определяли по количеству образующихся из них 2,4-динитрофенилгидразонов и хроматографическими методами. Суммарный выход таутомеров IV и V дополнительно определяли полярографически . Предварительные опыты показали , что в отсутствие межфазного катализатора превращение фурана в системе Н 2 О 2— соединение ванадия (IV, V) — хлоруглеводород —вода протекает крайне неэффективно (степень превращения субстрата не превышает 5%). Введение в оксидат межфазных катализаторов — тридецилметиламмонийхлорида (ТДМАХ), триэтилбензиламмонийхлорида (ТЭБАХ) или дибензо -18-крауна -6 — привело к заметному увеличению степени превращения субстрата и накоплению в органическом слое соединений, реагирующих c 2,4-динитрофенилгидразином (ДНФГ). Следует отметить , что во всех вариантах окисления качественный состав продуктов один и тот же , a их выходы изменяются в зависимости от реакционных условий (см. таблицу). Одним из основных продуктов межфазного окисления фурана является цисß-формилакриловая кислота в виде смеси таутомерных форм IV и V, общий выход которых в большинстве опытов 35...50% от прореагировавшего субстрата . B продук- тах реакции обнаружены малеиновая VI и оумаровая VII кислоты c общим выходом до 5%, a также заметное количество 2 (5Н) - фуранона (VIII) (до 16%). Возможность образования последнего в ранее предложенных схемах окисления фурана водным Н 202 [2-51 не предусматривалась . Как видно из таблицы , ци_с /3 фокмилаериловая кислота (формы IV и V) почти в равных - долях распределена между водной и органической фазами конечных оксидатов. Кислоты VI и VII находятся только в водном слое , тогда как лактон VIII — в органическом . Кроме того , в реакционной смеси обнаружены два продукта , которые преимущественно накапливаются в органической фазе, проявляются на пластиках Silufol раствором ДНФГ (красно-оранжевые пятна) и не реагируют c водным раствором NаНС 03• Значения RJ этих соединений и продукта их взаимодействия c ДНФГ в системах хлороформ и рлороформ—петролейный эфир , 1 . 1, совпадают с соответствующими показателями продуктов окисления фурана в водно-спиртовой среде и 1]. бис (2,4- динитрофенил) дигидразоха малеинового диaльдегида IX [ B ИК спектре раствора обнаруженных веществ в хлороформе наблюдаются полосы при 1670 и 1705 и 1710 см 1 . Первую из них можно отнести к поглощению связи С=С , тогда как две другие — к поглощению групп С=О в а ,j3 -ненасыщенных альдегидах . O наличии альдегидных групп свидетельст - 1. Кроме того, в спектре присутствуют полосы вует также полоса при 1360 см 1 в области 3450 (группа ОН) и 1075 см (группа С О С — — ). 1323 Результаты межфазного окисления фурана в системе 30°% води . Нг0г- соединение ванадия (СВ )- органический растворитель ( ОР)- мелгфазный катализатор (МФК) (мольное соотношение фуран : Н 202 : ОР МФК 1 : 2 : 5 : 0,02, 20 ° С ) Номер опыта Катализатор ( моль/ молв фурана) Раство ритель Mг1'1{ Степень превращения фypана , %о Выходы основных продуктов в водной (1), органической (2) фазах Время и суммарный в двух фазах (3), %о * полного превра1 щения 2 3 4 + V1 V + VII VIII 3 1 60 15 17 25 п ро д у кт о в * 3 3 3 21 46 N7NNг*) .*v) VO804 (0,02) IV III 2 1 1 + Н2О2, ч Общий выход основных 13 78 13 80 7 49 14 74 16 89 8 73 8 46 2 СНС13 ТДМАХ V0804 (0,02) CG14 ТДМАХ 58 15 18 25 20 45 VO8O4 (0,02) СН2 С12 ТДМАХ 56 5 5 17 18 35 VO804 ( 0 ,02) 1,2 -ДХЕ ТДМАХ 50 13 15 23 20 43 20 28 22 50 14 16 26 22 48 -* 2 10 22 32 20 30 50 16 71 20 5 25 6 36 29 5 V0804 (0,02) СНС13 ТДМАХ*3 70 19 СНС13 ТДМАХ 35 У 0804 (0,04) СНС13 ТДМАХ 60 8 У 0804 (0,04) СНС13 ТДМАХ*3 85 -* 2 -* 2 *2 9 VO804 (0,02) СНС13 ТЭБАХ 36 - - 10 V0804 (0,02) СНС13 КЭ *4 30 - - 15 5 20 7 11 VOC12 (0,02) СНС13 ТДМАХ 70 14 15 34 18 52 15 84 12 VO( асас ) 2 (0,02) СНС13 ТДМАХ 60 10 10 31 20 51 10 76 13 V205 (0,01) СНС13 ТДМАХ 70 5 5 30 20 50 10 69 27 8 40 14 * *2 V204 (0,01) От прореагировавшего фурана . Выход ниже 0,1 %о . * 3 0,04 моль/ моль фурана. *4 Дибензо -18- краун -6, СНС13 ТДМАХ 75 * V0804 (0,01) V- 6 7 -* 2 -* 2 20 7 Выделить рассматриваемые продукты не удалось из-за их неустойчивости , однако они были получены в виде продукта их взаимодействия c ДНфГ, физико-химические и спектральные характеристики которого соответствовали дигидразону малеиновмго диальдегида. Это , наряду c приведенными выше данными ТСХ и ИК спектроскопии , позволило отнести обнаруженные соединения к 2,5-дигидрокси -2,5- дигидрoфурану I и мaлеиновому диальдеги- ду III. Суммарный выход продуктов I и III, который определялся по количеству образовавшегося из них гидразона , достигал 15...20%. При перегонке водного экстракта из концентрата органического слоя оксидата , содержащего смесь соединений I и III, в остатке было получено небольшое количество коричневатого порошка, плохо растворимого в органических растворителях и воде. В системе ацетон—хлороформ , 2 : 1, этот продукт имел Rf 0. B его ИК спектре наблюдаются полосы при 3100 и 1630 см 1 , обусловленные поглощением соответственно групп ОН и C=0 в альдегидах c внутрикомплексной связью . На наличие связи С О —С указывает набор полос в области 1055...1125 см 1 . Полоса при 1670 см , отвечающая поглощению группы С=С , отсутствует . Эти данные позволили — предположить, что полученное вещество представляет собой продукт сополимеризации X соединений I и III по связям С=С. Взаимодействием полимера X c 2,4- динитрофенилгидразином получен продукт желтого цвета ХI (Rf Q в системе ацетон—хлороформ , 2 : 1), ИК спектр которого , содержащий полосы при 3310 (N—H) , 1610 ( С=N сопр ) , 1585 (C= Саром) и 1280...1375 см (Ph—NH) , несколько отличается от спектра дигидразона IХ (в первую очередь отсутствием полосы поглощения связи С=С). Продукт ХI, по всей видимости , является высокомолекулярным гидразоном , содержащим в качестве элементарного звена бис (2, 4 -динитрофенил) гидразон янтарного диальдегида . I + HI i С DNP J п [ I ОНC ` J т СНО [ о п+т HC ' 11 HO O OH ] 11 N N 1 1 Х CH Н HN NH 02N NO, NO2 NO2 XI Представленные в таблице результаты свидетельствуют o возможности регулирования выходов продуктов I, III—V и VIII путем изменения условий реакции . B ряду изученных органических растворителей (опыты 1-4) наибольший выход продуктов IV+V и I+III достигался при использовании СНС13 и СС 14 ( опыты 1 и 2) , однако в первом случае их содержание в органической фазе было более высоким . B связи с этим хлороформ , как оптимальный растворитель , использовался во всех последующих опытах . Увеличение количества ТДМАХ c 0,02 до 0,04 моль/ моль фypaна привело к сокращению времени реакции , повышению степени превращения субстрата и увеличению выхода продуктов IV+V и I+III как суммарного , так и в органическом слое (опыт 5). Примечательно , что при этом соотношение выходов таутомеров IV+V и соединений I+III по сравнению c опытом 1 практически не изменилось. Уменьшение количества VOS ®4 в два раза (опыт 6) приводит к резкому снижению степени превращения фурана , однако мало влияет на выходы основных продуктов и их соотношение . B то же время при увеличении 1325 содержания указанного катализатора в два раза (опыт 7) выход этих продуктов ощутимо падает (в случае соединений I+III до нуля). Однако при одновременном увеличении количества ванадиевого и межфазного катализаторов (при сохранении их соотношения 1 : 1) ( опыт 8) заметно возрастает общий выход таутомеров IV+ц и лактона VIII. Замена ТДМАХ на менее липофильный катализатор — триэтилбензиламмоинйхпорид (ТЭБАХ) приводит к значительному снижению эффектив- ности окисления (опыт 9). B этих условиях , наряду c падением степени превращения фурана и снижением суммарного выхода продуктов , соединения I и III не образуются совсем. С учетом данных o комплексообразовахии ацетилацетоната ванадила c дибензо - 18 - крауном-б [7 ] нами изучена возможность переноса пероксокомплексов ванадия в органическую фазу c помощью этого краун-эфира . Однако эффективность последнего как межфазного катализатора оказалась заметно ниже по сравнению c ТДМАХ .— примерно на уровне ТЭБАХ ( опыт 10). B ряду изученных соединений ванадия (IV, V) ( опыты 10-14) максимальные выходы продуктов IV+V, 1+11 I достигнуты в присутствии V0804 и V0C12, однако во втором случае продолжительность реакции увеличивается в два раза. В присутствии V0(асас )2, V2O5 и V2O4 указанные вещества получены с более низкими выходами . Наибольшая эффективность действия VOSO4 и VOC12 может быть отчасти объяснена тем, что уже в самом начале процесса окисления они в результате гидролиза создают более кислую , по сравнению c другими катализаторами , среду , благоприятствующую ускоренному образованию вы сокоактикных форм окислителя — пероксосоединений ванадия [8]. По совокупности таких показателей , как общий выход продуктов I+111 и IV+V, степень превращения фурана и время полного превращения Н 202, условия опыта 5 (хлороформ , V0SO4 : ТДМАХ = 1 : 2) следует признать оптимальными в ряду изученных вариантов межфазного окисления фурана . При сравнении результатов окисления фурана в условиях межфазного катализа и в водно-этанольной среде видно , что основной продукт — В-формилакриловая кислота (IV+V) в обоих случаях образуется c примерно одинаковым выходом. Главной особенностью межфазной реакции является накопление нового продукта — диальдегида III. Несмотря на отсутствие этанола , образующего c дигидроксидигидрофуканом I более устойчивый диацеталь II, общий выход соединений I и III в двухфазных системах не уменьшается , a выход лактона VIII даже возрастает. Очевидно , что образовaнию соединений I—III и VIII в условиях межфазного катализа способствует их преимущественное накопление в органическом слое. На основании данных o составе продуктов рассматриваемой реакции можно говорить o том , что начальные стадии превращения фурана в системе пероксид водорода—соединение ванадия , механизм которых детально обсужден в сообщении [1], в присутствии различных растворителей (этанола и хлоруглеводородов ) существенно не различаются. При рассмотрении факторов , приводящих к увеличению выхода лактона VIII в межфазных условиях (по сравнению c водно-этанольной средой ) , необходимо учитывать их влияние на стадии образования и превращения 2-гидpoкcифypaн a (XII) . Ранее мы предположили, что последний является одним из ключевых продуктов окисления фурфурола и фурана , который быстро превращается по двум альтернативным направлениям в устойчивый таутомер VIII или в продукты более глубокого окисления [1, 9]. Учитывая предполагаемую нами заметную роль свободных гидроксильных радикалов в образовании интермедиата Хц , падение выхода лактона VIII в водно-эта- нольной среде (по сравнению c межфазной реакцией) можно объяснить иiпибирующим действием спирта ха процесс их образования [10]. Другим фактором , определяющим выход лактона VIII, может быть его неодинаковая устойчивость к изомерным и окиcлительным превращениям в различны 1326 условиях. Изyченные нами реакции фурана c Н 202 различаются типом органического растворителя и присутствием дополнительного компонента (ТДМАХ) в межфазных условиях. Влияние растворителей на равновесие лaктон VIII <_'- гидроксифуран XII ранее детально не изучалось , однако можно предположить , что замена хлоруглеводорода на этанол способствует стабилизации таутомера XII за счет лучшей сольватации его енольной груциы более полярными растворителями (спиртом и водой Следует также учитывать возможное влияние межфазного катализатора на рассматриваемые превращения. Четвертичный аммониевый катион в ) . качестве перехватчика радикалов ОН сопоставим по эффективности c этанолом , причем, чем длиннее его углеводородные цепи , тем в целом выше скорость этого взаимодействия [101. Однако , учитывая подавляющее преобладание спирта в принятых нами условиях . по сравнению c ТДМАХ , влиянием последнего на скорость гидроксилирования фурaна до гидроксифурана XII можно пренебречь . Более существенным фактором может быть дополнительная стабилизация соединения XII за счет его комплексообразо - вания (c участием гидроксильной группы ) c межфазным катализатором . B результате этого взаимодействия электронная плотность в цикле гидрофурана XII должна понизиться , что осложнит атаку его л-системы электрофильными формами окислителя (пероксокомплексами ванадия или радикалами ОН ). При этом вклад кoнкуpиpующего процесса изомеризации соединения XII в лaктон VIII должен увеличиться . Для объяснения значительного повышения эффективности окисления фурана в двухфазных системах в присутствии межфазного катализатора можно сделать некоторые предположения относительно состава и строения комплексного интермедиата , ответственного за доставку окислителя в органическую фазу. Литературные данные [ 1 1 ] свидетельствуют o переносе пероксида водорода из водного в органический слой c помощью четвертичных аммониевых оснований в молекулярной (д не в анионной) фо*ме. Сообщается также o получении комплексов состава [Q+X ] [ НООН ] (о — четвертичный катион аммония , X — протсвоион ) [12], a также аддуктов четвертичных аммониевых солей c пероксосоединениями молибде- нaVI и вольфрамаУ1 [13, 14]. На основании этих данных , a также результатов исследования реакций различных органических веществ c пероксидом водорода в присутствии соединений переходных металлов (Мо, W и др .) в межфазных условиях [12-14] можно предположить , что в системе Н202— соединение вaнaдия ТДМАХ образуются комплексы типа — XIII и XIV, c помощью которых окислитель доставляется в органическую фазу: н202 + V* * VV + 22 Vv + о н + он' -vv*°О I Q +Х- I * +-{I о Î' I Q] [ XIII Q +к = + [ О-О-ыV E -х Г XIV I четвертичное аммониевое основание ; Х ' = С1-, OW и т. п . 1327 Комплексообразование пероксосоединения ванадия (У) c межфазным катaлизатором теоретически может проходить хан c сохранением исходного строения пероксосоединения , так и c диссоциацией связи O—VV . S обоих случаях окислитель , видимо , замещает противоион X в координационной сфере катиона чeтвертичного аммония; при этом могут образоваться продукты разного строения — типа XIII и XIV. Очевидно , что , независимо от строения и брутто-состава образующегося окислительно-каталитического комплекса , природа входящего в него аниона [Х' Г (которым , в первую очередь , может быть анионная часть исходного ванадиевого катализатора) будет оказывать определенное влияние на скорость образования и переноса в органическyю фазу частиц Хц1 и XIV, a также на их реакционную способность. B случае УОС12 и У05 О 4 перенос их пероксоформ из воды в органический слой будет осуществляться более эффективно , по сравнению c У 205 и У 204, вследствие большей липофилъности анионов С1 и 5042 по сравнению c молекулами воды , входящими в координационнyю сферу катализаторов оксидного типа. B случае VO (асас ) 2 объемные оргaнические лиганды катализатора могут препятствовать взаимодействию пероксосоединения ванадия c не менее объемной молекулой ТДМАХ , что , видимо , также сказывается на эффективности межфазного переноса . ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ ИК спектры продуктов записaны на спектрометре Specord IR-75. ГЖХ реакционных смесей получена на приборе Снгот-4 c плaменно-ионизационным детектором и стеклянной колонкой (300 Х 0,3 см) . Газ-носитель азот , скорость 30 мл/мин . Хроматографированиеобразцов проводили на полиметилфенилсилоксановом масле (ПМФС -4), нанесенном в количестве 15% на хроматои N AW DMC8, при температуре колонки 150 ° С, испарителя 220 ° С, детектора 220 ° С. Время - выхода соединения V 165...172 c. Фypaн определяли на трикрезилфосфате , нанесенном в количестве 20% на сферохром c диаметром частиц 0,2...0, 3 мм. Температура колонки 35 ° С, испарителя 80 ° С, детектора 40 ° С . ТСХ реакционной смеси и полученных продуктов осуществляли на пластинax 8ilnfol UV-254 в хлороформе и системе хлороформ—ацетон , 3: 1; хроматограммы проявляли подкисленными растворами КМпО 4 и 2,4- динитрофенилгидразина , a также спиртовым раствором бромфенолового синего и парами иода . Выходы кислот IV+V, VI и VП определяли полярографическим методом по известной методике [ 15] . Анализы выполняли на приборе LP-70 в термостатируемой ячейке c ртутным каломельньпи электpодом (т =1,59 мг/c; ti = 3,66 c при потенциале -1 , 0 B) при 25 ± 0,2 °C, электpод сравнения — нормальный каломельный . Фоновые электролиты — растворы 0,1 М НС104 и фосфатная буферная смесь (рН 7,4). Методика окисления фурана. B колбу, снабженную мешaлкой, термометром и обратным шариковым холодильником, охлаждаемым ледяной водой , при интенсивном перемешивании помещают (3,5...14,0) • 10* моль соединения ванадия, (7,0...14,0) • 10* моль межфазного ката-2 лизатора , 25 мл хлороформа и 3,75...15 мл ((3,5...14,0) 10 моль) 30% водного Н202. Через 5...10 мин после прекращения саморазогревания реакционной смеси добавляют 2,5 мл (3,5 10-2 моль) фурана , перемешивают при 20 °C до исчезновения пероксидов (проявление или титрование насьпценньик раствором Ю). Для получения раствора продуктов I и Ш в хлороформе и полимера Х водный слой охсидата отделяют , экстрагируют 3...4 порциями хлороформа по 5...8 мл, экстракты объединяют c оргaническим слоем и сушат над Na28O4• далее отгоняют хлороформ, концентрат экстрагируют 10...15 мл воды , водный экстракт перегоняют при пониженном давлении . Дистиллят зкстрагируют хлороформом , экстракт cyшат над Na2SO4, получают раствор продуктов I и III в хлороформе. Остаток в перегонной колбе промывают ацетоном, сyшат, получают полимер Х с выходом около 3% от прореагировaвшего фурана . Методики получения гидразонов соединений I+III и IV+V приведены в работах [6, 163. 1328 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Посконин В. В., Бадовская Л. А., ПовароваЛ. А. II XrC. 1998. N2 8. С . 1047. С/аosов-Каах N., Fak s trop J. II Acta chem. scand. 1947. Vol. 1. Р . 415. СалчиюоiкА. П. // Ж . прикл . химии . -1959. Т . 32.- С . 1605. Лао.жсоваЛ. В. Автореф . дис .... канд . хим . наук . Ростов -на-Дону , 1974.- 19 с . Гвоздецкая В . П. Дис .... канд. хим . наук. Краснодар , 1974. 118 c. ПосконинВ. В., Бадоеская Л. А., ПовароваЛ. А .!! ХГС . -1998. -Nt 7.- С . 893. Артемов А. В., Лигавин цен И. Ю., Баевсзсий М. Ю., Вайниiтейн Э . Ф., Савунов В . Н. II Кинет . и катал . 1985. f 26. С. 621. Вольков И. И. Пероксокоиллехсы Ванадия , ниобив и тантала. М.: Наука, 1987. 184 c. Бадооска.я Л. А. Дис .... д-ра хим . наук . Краснодар , 1982. 436 c. ГIикаев А . К., Кабаюiо С . А . Реакционнав способность первичных продуктов радиолиза во- - - - - - - - 8. 9. 10. - - - - - - - ды. - М Энергоиздат ,1982. .: - - - 200 c. 11. ДемловЭ., демловЭ. Межфазныйкатализ . - М .: Мир , 1987.- 485 c. 12. Bortolini O., Conte V., Di Fin-laP., ModenaG. II J. Org . Chem. 1986.- Vol. 51.- Р . 2661. 13. Venturel'lo C., DAloisioR. II J. Org . Chem. 1988. Vol. 53.- Р . 1553. 14. Aubry C., Cliottard G., Platzer N., BregeauLt J.-M., Thouvenot R., Chanveau F., Huet C., - - - Ledon H. II borg. Chem. 1991.- Vol. 30. Р . 4409. 15. Кузовникова И. А., Бадовская Л. А., Турьяя Я. И., Кульневич В. Г. II XEC. - - Nl6. - С. 737. 16. Посiсонин В . В., Бадовская Л. А., Бупшн А . В. II ЖОрХ. Кубаксiсий государственный технологический унивеоситет, Краснодар 350072, Россия e-mail: петоl@ сттt. kиЬstи ru - 1997. - Т . 33. - - 1974. - С . 574. Постувило в редакцию 15.06.98